Md mottahir alam


Download 1.05 Mb.
Pdf ko'rish
Sana06.12.2020
Hajmi1.05 Mb.
#161237
Bog'liq
A T-shaped printed planar antenna on epoxy-resin material for ISM,WiFi,Bluetooth,WiMAX,WLAN applications(OAM-RC)


OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS – RAPID COMMUNICATIONS  Vol. 14, No. 11-12, November-December 2020, p. 509-514 

 

A T-shaped printed planar antenna on epoxy-resin 



material for ISM/WiFi/Bluetooth/WiMAX/WLAN 

applications 

 

 

REZAUL AZIM

a,*

, KOLI DHAR



a

, MD MOTTAHIR ALAM

b

, M. TARIQUL ISLAM



c

 

a



Department of Physics, University of Chittagong, Chittagong 4331, Bangladesh 

b

Department of Electrical and Computer Engineering, King Abdulaziz University, Jeddah 21589, Saudi Arabia 

c

Department of Electrical, Electronic & Systems Engineering, Faculty of Engineering & Built Environment, Universiti 

Kebangsaan Malaysia(UKM), 43600 Bangi, Malaysia 

 

 



This paper presents a printed planar antenna for numerous wireless communication applications. The antenna is comprised 

of  a  T-shaped  patch  and  partial  ground  plane  and  fabricated  on  epoxy-resin  material.  The  antenna  achieved  a  good 

operating  bandwidth  of  1.54  GHz  ranging  from  2.02  to  3.56  GHz  (55.2  %),  an  average  gain  of  3.09  dBi,  and  average 

efficiency of 85 %. The measured results matched quite well to the simulated one and revealed that the studied antenna is 

able  to  satisfy  the  bandwidth  and  gain  requirements  with  stable  radiation  patterns  for  different  wireless  commutation 

services including WiFi, ISM band, Bluetooth, WiMAX and WLAN. 

 

(Received April 20, 2020; accepted November 25, 2020) 



 

Keywords: Antenna, Bluetooth, ISM band, WiFi, wideband, WiMAX, WLAN 

 

 

1.  Introduction 

 

The  proliferation  of  wireless  communications  has 



entered  into  a  new  era  of  wireless  networking.  Wireless 

local  area  networks  (WLANs)  and  cellular  phones  are 

undoubtedly the  most popular  wireless systems, but in the 

recent years, there has been substantial growth in the use of 

industrial,  scientific  and  medical  (ISM)  frequency  bands. 

According to the code of federal regulations of the FCC [1] 

and  ITU  regulations  [2],  the  ISM  bands  are  for  the 

operation of ‘equipment of appliances designed to generate 

and use locally RF energy for industrial, scientific, medical, 

domestic of similar purposes’. FCC allocates a number of 

frequency bands for ISM applications and commonly used 

bands are 433.05 – 434.79 MHz, 902 – 928 MHz, 2.4 – 2.5 

GHz, 5.725 – 5.875 GHz [3]. Typical applications of ISM 

bands  are  the  production  of  physical,  biological,  or 

chemical  effects  such  as  heating,  ionization  of  gases, 

mechanical  vibrations,  hair  removal  and  acceleration  of 

charged particles.  At  the  same  time  use  of ISM  frequency 

band  in  WiFi,  Bluetooth,  WiMAX,  Zigbee,  wireless 

telephones,  are  ongoing.  WLANs  under  IEEE  802.11b 

standard [4], is another most widespread standards that use 

the  2.45  GHz  ISM  band  for  signal  transception.  Among 

different  frequency  bands,  the  2.45  GHz  ISM  band  is  the 

most widely used band that lessens the system size.  

Antenna plays a key role in transmitting and receiving 

of  signal  in  any  wireless  communication.  In  ISM  band 

applications,  antennas  should  be  small  enough  to  be 

implanted  in  the  human  body.  At  the  same  time,  they 

should have to be planar profile to be integrated in portable 

devices.  Since  the  ISM  antenna  operates  with  the  other 

wireless standard such as WiFi (2.4 GHz), Bluetooth (2.45 

GHz),  WiMAX  (2.3,  2.5,  3.5  GHz)  and  WLAN  (2.45 

GHz),  a  wideband/multiband  antenna  that  can  cover  all 

these narrow-band services is therefore necessary. 

Different techniques and attempt have been reported to 

design  wideband  planar  antennas  [5-18].  For  example,  a 

metamaterial  inspired  triple-band  antenna  was  reported  in 

[5]. The resonant  modes  at 2.4  GHz, 3.5  GHz  and 5  GHz 

were  achieved  by  using  a  rectangular  slot  and  a 

metamaterial  inspired  split  ring  structure.  In  [6],  a  planar 

antenna  was  reported  to  operate  at  2.4  GHz  and  3.5  GHz 

bands. To resonate at 2.4 GHz it uses microstrip line loaded 

with  dumbbell-shape  defected  structure  while  the  higher 

resonance  was  achieved  by  the  use  of  two  vias.  In  [7],  a 

textile  PIFA  antenna  was  presented  for  ISM  band 

applications.  By  embedding  slots  both  in  the  patch  and 

ground  plane,  the  designed  antenna  was  attained  dual 

operating  bands  centred  at  433  MHz  and  2.4  GHz. 

However,  the  antenna  possesses  a  large  size  of  140  ×  80 

mm

2

. A built-in monopole inverted-F antenna for GPS and 



ISM  operations  was  reported  in  [8].  For  medical  implant 

communication service (MICS) and ISM band applications, 

a  dual-band  stacked  patch  antenna  was  presented  in  [9]. 

The antenna consists of a two-stacked patch over a circular 

ground  plane.  The  upper  and  lower  patches  resonate  in 

MICS  and  ISM  bands,  respectively.  However,  it  has  a 

larger  3D  profile  and  not  suitable  to  be  integrated  into 

portable  devices.  In  [10],  a  chip-type  antenna  that  uses 

advanced  meander  line  technique  was  presented  for  ISM 

band  applications.  The  antenna  is  composed  of  small 



510                                                 Rezaul Azim, Koli Dhar, Md Mottahir Alam, M. Tariqul Islam 

 

ceramic  dielectric  and  TMM-4  substrate  and  is  able 



operates at 2.4 - 2.4835 GHz and 5.725 - 5.85 GHz bands. 

For WLAN application, a dual-band antenna was presented 

in  [11].  This  design  adopts  microstrip  feedline,  folded  T-

shaped  radiator  and  two  symmetrical  rectangular  patches 

and  able  to  operate  at  dual  frequency  bands  of  2.4  -  2.52 

GHz  and 4.5  - 7.5  GHz.  A  loop  antenna  with  a  band-stop 

matching circuit was developed in [12]. With a volumetric 

size of 14 × 55 × 0.8 mm

3

, the designed antenna is able to 



operate at two wide operating bands of 704 - 960 MHz and 

1710 - 2690 MHz. In [13], a multi-band planar antenna was 

reported to operate over the 900 MHz GSM band, the 2.45 

GHz ISM band, and the 3.5/5 GHz WLAN band. A double 

band antenna operates over the LTE band was proposed in 

[14]. The studied antenna consists of L-shaped branch and 

meander lines and able to operate at 870 - 990 MHz (GSM 

band)  and  1.65  -  3.14  GHz  bands.  In  [15],  a  U-shaped 

open-end  slot  antenna  was  developed  for  handset 

applications. With a volumetric size of 12 × 58 × 0.6 mm

3



the  designed  antenna  is  able  to  operate  in  LTE  band  12, 



DCS,  PCS,  UMTS,  LTE  band  40,  ISM  2.45  GHz,  LTE 

Band  42  and  LTE  band  43.  Despite  the  attainment  of 

wide/multiple  operating  bands,  most  of  the  above-

mentioned  antennas  possess  complex  structure,  larger 

dimension, 3D profile, low gain and low efficiency, which 

require  more  investigation  to  get  an  appropriate  wideband 

antenna solution.  

In this paper, a microstrip planar antenna is studied for 

WiFi/ISM  band/Bluetooth/WiMAX/WLAN  applications. 

The  studied  antenna  has  a  simple  structure  and  is 

prototyped on a low-cost epoxy-resin substrate material. It 

is  revealed  from  the  experimental  observation  that  the 

presented  antenna  has  an  operating  band  of  2.02  -  3.56 

GHz  and  able  to  cover  the  above  mentioned  multiple 

wireless services. 

 

 



2.  Antenna design and optimization 

 

The design of the studied antenna starts with the basic 



equations  for  calculating  the  width  (W)  and  length  (L)  of 

the  microstrip  patch  antenna  using  the  transmission  line 

model.  According  to  the  transmission  line  model,  the 

width, and length, L of the rectangular patch are [19] 

 

                       



2

1

2



0



r

f

c

W

                        (1) 



and 

            



l

f

c

L

e



2

2



0

                  (2) 



where  f

o

 is resonance frequency, c is the speed of light in 



vacuum  and  ε

r

  is  the  relative  permittivity.  The  effective 



permittivity is given approximately by [20]  

2

1



12

1

2



1

2

1









 






W

h

r

r

e



            (3) 

where h is the height of the dielectric substrate. 

 

 



 

Fig. 1. Footprint of the proposed antenna 

 

The antenna looks electrically larger than its physical 



dimensions due to the adjoining field around the boundary 

of the patch [20]. Considering this result 

Δl

, the extension 

of length due to the fringing field effect is 

 

















8

.

0



258

.

0



264

.

0



3

.

0



412

.

0



h

W

h

W

h

l

e

e



           (4) 

 

The  footprint  of  the  studied  antenna  is  displayed  in 



Fig.  1.  It  comprised  of  a  rectangular  patch  and  a  partial 

ground  plane.  The  radiation  element  of  dimensions  W

P

  × 


L

P

 is printed on the front side of 1.6 mm-high epoxy-resin 



substrate  material (FR4) with relative permittivity 4.6 and 

dielectric loss of 0.02. Despite slightly higher loss tangent, 

FR4  material  is  chosen  for  this  design  due  to  its  low 

fabrication  cost  for  mass  production.  A  microstrip  line  of 

size W

f

 × L



f

 is also etched on the front side of the substrate 

to  feed  the  antenna.  The  characteristics  impedance  of  the 

feedline is fixed at 50 Ω. A ground plane of side length L

G

 

is  etched  on  the  backside  of  the  substrate.  The  optimized 



design parameters of the studied antenna are as follows: W 

= 79.8 mm, L = 57.8 mm, W

P

 = 38 mm, L



P

 = 29.4 mm, W

f

 

= 3.1 mm, L



f

 = 14.2 mm, L

G

= 12.74 mm, g = 1.46 mm x = 



20.9 mm, and y = 14.2 mm. 

The radiation mechanism of the antenna can properly 

understand by investigating the current distributions rather 

than input impedance characteristics that only describe the 

behaviour of the antenna as a lumped element at the end of 

microstrip feedline. The surface current distributions of the 

studied  antenna  at  the  first  resonance  frequency  of  2.49 

GHz  is  shown  in  Fig.  2(a)  where  the  red  colour  indicates 

the  strongest  current  while  the  blue  colour  is  the  weakest 

one.  At  this  frequency,  the  surface  current  is  mostly 

concentrated  on  the  edge  of  the  patch,  ground  plane  and 

lower end of the feedline that implies that the fundamental 











L

G

 



L

f

 

W

P

 

L

P

 

W

f

 



A T-shaped printed planar antenna on epoxy-resin material for ISM/WiFi/Bluetooth/WiMAX/WLAN applications            511 

 

resonance mode is associated with patch and ground plane. 



At  3.2  GHz,  shown  in  Fig.  2(b),  the  strongest  current  is 

confined in the gap between patch and ground plane and in 

the  feedline  which  can  be  considered  as  the  higher-order 

mode  of  2.49  GHz.  The  current  distributions  in  Fig.  2 

confirmed  that  the  radiating  patch  matched  well  with  the 

partial  ground  plane  results  in  the  exhibition  of  wide 

impedance band. 

 

 



 

(a) 

 

 



(b) 

 

Fig. 2. Surface current distribution at (a) 2.49 GHz, and  

(b) 3.2 GHz (color online) 

 

 

3.  Results and discussion 

 

To  design  the  proposed  wideband  band  antenna,  a 



comprehensive  parametric  study  has  been  conducted 

which  helped  to  understand  the  effect  of  different 

parameters  on  antenna  performances.  The  ground  plane 

length,  L

G

 is the first parameter to be optimized. In  many 



open  literatures,  the  strong  dependence  of  the  operating 

band of microstrip patch antenna on ground plane size has 

been  reported  [21-22].  The  variation  of  simulated  S

11

  for 



different  values  of  L

G

  is  displayed  in  Fig.  3(a),  which 



indicated  that  decreasing  and  increasing  of  L

G

  from  its 



final  value  demonstrates  poor  operating  band  with  worst 

S

11



. In this design a value of  L

G

 = 12.74 mm is optimized 



to exhibits widest bandwidth with best S

11

 value of -35.72 



dB at 2.49 GHz. The simulated S

11

 for different values of 



feedline width, W

f

 is shown in Fig. 3(b). As the W



f

 adjusts 

the  50 Ω characteristics impedance of the  feedline, it can 

tune  the  operating  band  of  the  studied  antenna.  It  can  be 

observed  from  the  plot  that  a  width  of  3.1  mm  can  offer 

the  required  operating  band  with  best  S

11

  value.


 

Fig.  3(c) 

demonstrates the simulated S

11

with the different g, the gap 



between  the  patch  and  the  ground  plane,  while  the  other 

parameters have remained unaltered.

  

 

-40



-30

-20


-10

0

1



1.5

2

2.5



3

3.5


4

S

11



(d

B)

Frequency(GHz)



10.74mm

12.74mm


14.74mm

(a)

 

-40


-30

-20


-10

0

1



1.5

2

2.5



3

3.5


4

S

11



(d

B)

Frequency(GHz)



2.1mm

3.1mm


4.1mm

 

(b) 



 

-40


-30

-20


-10

0

1



1.5

2

2.5



3

3.5


4

S

11



(d

B)

Frequency(GHz)



0.96mm

1.46mm


1.96mm

 

(c) 

 

Fig. 3. Variation of S



11

 with (a) L

G

, (b) W

f

, and (c) g  

(color online) 

512                                                 Rezaul Azim, Koli Dhar, Md Mottahir Alam, M. Tariqul Islam 

 

As  the  ground  plane  act  as  an  impedance  matching 



circuit,  the  gap  g  can  tune  the  input  impedance  of  the 

antenna, results in a variation in the operating band. It can 

be  seen  from  the  plot  that  a  gap  of  1.46  mm  can  give  a 

better S


11

 value within the required impedance bandwidth. 

The optimized structural parameters have been found after 

a  comprehensive  parametric  study.  A  set  of  the  prototype 

of the studied antenna has been fabricated using optimized 

parameters  for  experimental  validation.  The  fabricated 

prototype  of  the  proposed  antenna  is  illustrated  in  Fig.  4. 

The  S-parameter  of  the  fabricated  antenna  has  been 

measured  using  PNA  N5227A  Network  Analyzer.  The 

measured  and  simulated  S

11

  responses  of  the  proposed 



antenna are presented in Fig. 5. It is observed from the plot 

that  the  prototype  antenna  achieved  an  impedance 

bandwidth  ranging  from  2.02  –  3.56  GHz  (S

11

  ≤  -10  dB) 



which covers the 2.45 GHz ISM band as well as WiFi 2.4 

GHz,  Bluetooth  2.45  GHz,  WiMAX.  2.3  GHz,  2.5  GHz 

3.5  GHz  and  WLAN  2.45  GHz.  Slight  discrepancies 

between the two results may be due to the effect of the RF 

feeding cable, which is used in the measurements but does 

not consider during the simulation.  

 

 

 



 

 

 



 

Figure 4: Prototype of the proposed antenna. 

 

 

 



Fig. 4. Prototype of the designed antenna (color online) 

 

 

-40



-30

-20


-10

0

1



1.5

2

2.5



3

3.5


4

S

11



(d

B)

Frequency(GHz)



Simulated

Measured


 

 

Fig. 5. Simulated and measured S



11

 responses of the  

proposed antenna (color online) 

 

 

The  gain,  efficiency  and  radiation  patterns  of  the 



studied antenna are measured using the StarLab near-field 

measurement  system  as  shown  in  Fig.  6  [23].  The 

measured peak gain of the studied antenna is shown in Fig. 

7 from where it can be observed that the designed antenna 

achieved an average gain of 3.09 dBi with a maximum of 

3.84  dBi.  The  radiation  efficiency  of  the  studied  antenna 

presented  in  Fig.  8  displays  that  average  measured 

radiation efficiency in the operating band is 84.66 % with 

a maximum efficiency of 92.38 %. The gain and efficiency 

of  the  proposed  antenna  can  be  improved  using  a  more 

expensive  microwave  substrate  rather  than  standard  low-

cost epoxy-resin material. 

The  radiation  patterns  of  the  proposed  antenna  in  E-

plane  and  H-plane  planes  are  measured  at  the  resonance 

frequency  of  2.49  GHz  and  3.2  GHz.  Fig.  9(a) 

demonstrates  the  2D  radiation  patterns  at  2.45  GHz  in 

terms  of  co-polarized  field  (E

θ

)  and  cross-polarized  filed 



(E

ϕ

) components while Fig. 9(b) present the patterns at 3.2 



GHz.  It  can  be  observed  from  the  plot  that  at  both 

frequencies  the  designed  antenna  exhibits  typical  dipole 

like radiation characteristics. 

 

 



 

Fig. 6. Radiation Characteristics measurement  

set-up in StarLab 

 

0

1



2

3

4



5

2

2.5



3

3.5


4

G

ain



(d

Bi)


Frequency(GHz)

 

 



Fig. 7. Measured peak gain of the proposed antenna 

         

 


A T-shaped printed planar antenna on epoxy-resin material for ISM/WiFi/Bluetooth/WiMAX/WLAN applications            513 

 

0



0.2

0.4


0.6

0.8


1

2

2.5



3

3.5


4

Ef

ficie



n

cy

Frequency(GHz)



 

Fig. 8. Measured efficiency of the proposed antenna 

 

 

The  simulated  three-dimensional  radiation  pattern  for 

the total electric field (E) at 2.49 GHz is shown in Fig. 10. 

In  the  pattern,  the  red  colour  indicates  the  strongest 

radiated  E-field  while  the  blue  colour  is  the  weakest  one. 

From  the  3D  pattern,  it  is  also  revealed  that  the  radiation 

pattern  is  dipole  like  with  nulls  in  bore-site  directions. 

Despite  the  nulls  in  the  bore-site  directions,  the  radiation 

patterns  of  the  studied  antenna  are  symmetric  over  the 

entire  working  band,  which  is  a  prime  requisite  for  many 

narrow-band wireless communication applications. 

 

 



 

 

(a) E-plane at 2.49 GHz                                           (b) H-plane at 2.49 GHz 



 

 

 

 (c) E-plane at 3.2 GHz                                                         (d) H-plane at 3.2 GHz 



 

 

Fig. 9. Measured radiation patterns at different frequencies.  In the plot, the solid black lines represent the co-polarized  



components (E

θ

) while the dotted red lines represent the cross-polarized components (E

ϕ

) (color online) 

 

 



514                                                 Rezaul Azim, Koli Dhar, Md Mottahir Alam, M. Tariqul Islam 

 

 



 

Fig. 10. Simulated 3D radiation pattern at 2.49 GHz  

(color online) 

 

4.  Conclusions 

 

In this paper, a low-profile T-shaped microstrip planar 



antenna is presented. The studied antenna consists of a T-

shaped  patch  and  a  small  ground  plane  and  fabricated  on 

both sides of an epoxy-resin microwave substrate material. 

Experimental  and  theoretical  results  demonstrate  that  the 

radiating element coupled well with the  ground plane and 

the presented antenna able to achieve an operating band of 

1.54  GHz  (55.2  %)  covering  WiFi  (2.4  GHz),  ISM  band 

(2.45 GHz), Bluetooth (2.45 GHz), WiMAX (2.3 GHz, 2.5 

GHz, and 3.5 GHz) and WLAN (2.45 GHz). The designed 

antenna also has a good gain, efficiency and demonstrates 

stable  radiation  patterns  that  make  it  a  good  candidate  to 

be used in numerous wireless communication applications. 



 

 

Acknowledgements 

 

This  work is financially supported by the Ministry of 



Higher  Education,  Malaysia  having  the  fundamental 

research grant number FRGS/1/2014/TK03/UKM/01/1. 

 

 

References 



 

  [1] “Federal Communications Commission (FCC),”  

        http://www.fcc.gov. 

  [2] “International Telecommunication Union,”  

        https://www.itu.int/en/Pages/default.aspx. 

 

 



 

 

 



 

  [3] “Part 18: Industrial, Scientific and Medical  

         Equipment,” FCC Rules and Regulations 1, 877. 

  [4] “IEEE Standard Association,”  

        http://standards.ieee.org 

  [5]  V.  Rajeshkumar,  S.  A.  Raghavan,  Int.  J.  Electron. 

Commun. 69(1), 274 (2015). 

  [6] J. Malik, A. Patnaik, M. V. Kartikeyan, IEEE  

        Antennas Wirel. Propag. Lett. 14, 503 (2015). 

  [7] S. Yan, V. Volskiy, G. A. E. Vandenbosch, IEEE  

        Antennas Wirel. Propag. Lett. 16, 2436 (2017). 

  [8] M.-A. Chung, C.-F. Yang, IET Microw. Antennas  

        Propag. 10(12), 1285 (2016). 

  [9] S. Chamaani, A. Akbarpour, IEEE Antennas Wirel.  

        Propag. Lett. 14, 1722 (2015). 

[10] J.-I. Moon, S.-O. Park, IEEE Antennas Wirel. Propag.   

        Lett.  2, 313 (2003).  

[11] J. Yang, H. Wang, Z. Lv, H. Wang, Sensors 16, 1  

        (2016).  

[12] K.-L. Wong, T.-J. Wu, Microw. Opt. Technol. Lett.  

        54(5), 1189 (2012). 

[13] H. J. Liu, R. L. Li, Y. Pan, X. L. Quan, L. Yang, L.  

        Zheng, IEEE Trans. Antennas Propag. 62(5)  

2856  (2014). 

[14] V. Ghaffari, A. Tavakkoli, R. M. Boroujeni, Proc.  

        ICEE 2016, Shiraz, Iran, 2016, pp. 1244-1247.  

[15] C.-K. Hsu, S.-J. Chung, IEEE Trans. Antennas  

        Propag. 62(2), 929 (2014). 

[16] M. Samsuzzaman, T. Islam, N. A. Rahman, M. R. I.  

        Faruque, J. Mandeep, Int. J. Antennas Propag. 2014,  

 1 (2014). 

[17] M. Samsuzzaman, M. Mahmud, M. T. Islam, M. Ali,  

         M. T. Islam, Microwave Opt. Technol. Lett. 59(7),  

1590  (2017). 

[18] R. Azim, M. T. Islam, Mater. Tehnol. 49(2),  

193  (2015). 

[19] J. P. Gilb, C. A. Balanis, IEEE Trans. Microw.  

        Theory Tech. 37, 1620 (1989). 

[20] P. Bhartia,  I. Bahl,  R. Garg, A. Ittipiboon,  

        “Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech  

         House Publishers, Norwood, Massachusetts, USA,  

         2000. 

[21] R. Azim, M. T. Islam, N. Misran, Appl. Comput.  

        Electromagn. Soc. J. 26(10), 856 (2011). 

[22] R. Azim, M. T. Islam, N. Misran, Arab. J. Sci. Eng.  

        38(9), 2415 (2013). 

[23] Microwave Vision Group, StarLab,  

        https://www.microwavevision.com.

 

 

 



 

_____________________ 



*

Corresponding author: rezaulazim@cu.ac.bd 



Ph



Download 1.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling